Полиэтилен: состав, свойства и процесс получения материала

Что такое полиэтилен, из чего он состоит и как производится. Рассказываем простыми словами о свойствах, видах и технологиях получения самого популярного пластика в мире.

Полиэтилен (ПЭ, PE) — самый востребованный пластик в мире. На его долю приходится примерно треть всех выпускаемых полимеров — более ста миллионов тонн в год. Полиэтилен служит сырьем для производства разнообразной продукции во многих отраслях: строительстве, медицине, сельском хозяйстве и других.

В России ПЭ занимает важное место на рынке пластиков. Производители активно разрабатывают инновационные марки, в том числе с включением вторичного сырья. Существенную роль в этом процессе играют научно-исследовательские центры ПолиЛаб, занимающиеся разработкой материалов, в том числе на основе полиэтилена.

Расскажем, что такое полиэтилен, каковы его особенности и отрасли использования.

Определение

Основные понятия

ПЭ — это термопластичный полимер, входящий в группу полиолефинов. Полиэтилен синтезируют из этилена методом полимеризации.

В чистом виде ПЭ выглядит как бесцветный или обычно белый гранулят. При формировании тонких пленок или листов может становиться полупрозрачным из-за особенностей кристаллической структуры.

История открытия

Полиэтилен был впервые синтезирован в 1898 году немецким химиком Пехманном. Он получил небольшой образец полимера, им оказался низкомолекулярный полиэтилен, однако работа не имела коммерческого развития.

Настоящий прорыв произошел в 1933–1935 годах в компании Imperial Chemical Industries (ICI). После экспериментов Эрика Фосетта и Реджинальда Гибсона, Майкл Перрин к 1939 году разработал промышленный процесс полимеризации этилена под высоким давлением.

Особенности ПЭ

Физические и химические свойства

ПЭ обладает высокой химической стойкостью — он не взаимодействует с кислотами, щелочами и большинством органических растворителей при комнатной температуре. Однако он подвержен окислению сильными окислителями и UV-излучению. Материал устойчив к влаге, имеет хорошие диэлектрические свойства, малый коэффициент трения.

Термопластичный характер и устойчивость

Материал способен принимать заданную форму под воздействием давления и температуры и сохранять ее после охлаждения. Термопластичность полиэтилена объясняется тем, что его длинные молекулярные цепи удерживаются вместе слабыми межмолекулярными силами. При нагревании эти связи ослабевают, позволяя цепям перемещаться, а при охлаждении — восстанавливаются, фиксируя новую форму. При этом прочные ковалентные связи внутри самих цепей не разрушаются.

Химический состав

Структура ПЭ основана на повторяющихся звеньях этиленового мономера –CH2–CH2–. Молекула состоит из длинных цепочек углеродных атомов, к которым ковалентно присоединены атомы водорода. Каждое звено содержит два атома углерода, соединенных между собой и с двумя атомами водорода, образуя стабильную и насыщенную углеводородную цепь.

Степень кристалличности вещества варьируется в зависимости от структуры цепей и влияет на физические свойства: более кристаллический материал жестче, с высокой температурой плавления, а аморфный — мягче и прозрачнее.

Классификация

Полиэтилен низкой плотности (LDPE, ПЭНП, ПЭВД)

У ПЭ низкой плотности углеводородные цепи содержат значительное число разветвлений. Боковые ответвления препятствуют компактному расположению молекул, снижают кристалличность и делают материал более гибким и мягким.

Полиэтилен высокой плотности (HDPE, ПЭВП, ПЭНД)

HDPE имеет линейную структуру с минимальным разветвлением. Цепи уложены плотно и формируют кристаллические области. Это придает материалу высокую плотность, прочность и жесткость.

Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE, ЛПЭНП, ПЭНД)

ЛПЭНП имеет преимущественно линейную цепь с короткими, строго контролируемыми ветвлениями, что обеспечивает баланс между прочностью и эластичностью.

Особые марки и современные модификации

Современные марки PE обладают улучшенными характеристиками. Например, металлоценовый ПЭ (mLLDPE), получаемый с использованием металлоценовых катализаторов, отличает высокая однородность молекулярной структуры и точный контроль над длиной и расположением боковых ответвлений. Это обеспечивает улучшенную кристалличность, предсказуемые свойства и часто повышенную прозрачность.

Получение полиэтилена

Сырьем для производства полиэтилена служит этилен — бесцветный газ. Получение материала базируется на нескольких основных методах полимеризации этилена, которые отличаются условиями проведения, катализаторами и свойствами конечного продукта.

Полимеризация при высоком давлении

Происходит при давлении до 300 Мпа и температуре около 200–300 °C с использованием свободных радикалов в качестве инициаторов (кислород, пероксиды). Метод применяют для получения ПЭНП с разветвленными молекулярными цепями.

Полимеризация при низком давлении

Проводится при давлении ниже 2 МПа и температуре около 80–150 °C с применением каталитических систем Циглера — Натта, хромовых и металлоценовых катализаторов. Процесс может осуществляться в различных средах: в суспензии (с растворителем), в газовой фазе или в жидком мономере. Позволяет создавать ПЭ с регулируемой структурой и улучшенными свойствами, служит основой для производства ПЭВП.

Современные методы и новейшие разработки

Современный тренд — металлоценовые катализаторы, позволяющие точечно контролировать молекулярную архитектуру полиэтилена. Такие системы обеспечивают материал с узким распределением молекулярной массы, высокой прозрачностью, улучшенной механической прочностью и стабильностью.

Отличия полиэтилена от полипропилена (ПП, PP)

Полиэтилен и полипропилен — это два широко используемых полиолефина. Ключевое различие заключается в строении молекулы: ПЭ имеет простую цепь из атомов углерода и водорода, в то время как в цепи ПП каждый второй атом углерода связан с метильной группой (-CH₃).

Это структурное отличие определяет разницу в свойствах:

• Полиэтилен более гибкий, пластичный и химически стойкий (особенно к кислотам и щелочам);
• Полипропилен отличается большей жесткостью, термостойкостью (выдерживает более высокие температуры) и устойчивостью к износу и усталости. Однако наличие метильных групп делает его более склонным к окислению и старению (особенно под УФ-излучением), что компенсируется введением стабилизаторов.

Выбор материала всегда зависит от требований к конечному продукту.

Этиленвинилацетат (ЭВА, Савилен)

Отдельно расскажем про ЭВА. Это мягкий гибкий сополимер, получаемый путем совместной полимеризации этилена и винилацетата. Степень включения винилацетатных звеньев в макромолекулу определяет свойства вещества. При низком содержании винилацетата материал демонстрирует свойства, схожие с ПЭНП. С увеличением доли винилацетата повышаются гибкость, ударная вязкость, прозрачность и адгезионные свойства.

Так, ПолиЛаб разработал новый компаунд на основе ЭВА, который применяют для изготовления ушных бирок для животных.

Области применения

Строительство

Из ПЭ производят защитные пленки и кровельные материалы. Благодаря долговечности и химической стойкости, HDPE и другие марки демонстрируют высокие показатели. Специалисты центров «ПолиЛаб» получили ПЭ с повышенной твердостью 153-10KM. Марка показывает высокую устойчивость к термоокислительному старению и механическую прочность, нужную для кабельных оболочек.

Инженерная и дорожная инфраструктура

Для инфраструктурных проектов применяют специальные марки полиэтилена с повышенной твердостью и устойчивостью к внешним воздействиям. Например, ПолиЛаб завершил разработку HD 22544PC для верхнего слоя антикоррозионного покрытия стальных труб газораспределительных сетей. Также вывели на рынок особо прочные марки HD 03505 RC Blue и Orange для производства полимерных труб систем водо- и газоснабжения.

Медицина

Специальные марки ПЭ безопасны при контакте с биологическими тканями, гибки и устойчивы к химическим воздействиям. Из них делают медицинские изделия, контейнеры. Так, из полиэтилена марки PE MG013R, которую создали ученые ПолиЛаб, изготавливают фармацевтическую упаковку.

Агропромышленный комплекс

В сельском хозяйстве используют полиэтиленовые укрывные пленки для теплиц и почвы, а также оросительных систем. ПолиЛаб разработал марку ПЭНП LD03213FE для тепличных пленок и ПЭВП HD12443 AP для капельного орошения.

Товары народного потребления

Из полиэтилена производят товары домашнего обихода, бытовую химию, детские игрушки, посуду. Например, из марки HD 70502IM, созданной специалистами ПолиЛаб, делают ящики, корзины для мусора и другие бытовые изделия.

Гибкая упаковка

Из ПЭ изготавливают пакеты, контейнеры, пленки, обертки и другие варианты гибкой упаковки. Ученые ПолиЛаб получили современные марки полиэтилена, такие как HD 12460 FE и mLL 10153 FE. Из них производят легкие, гибкие, влагостойкие изделия, которые надежно защищают продукты и различные грузы.

Транспорт

Полиэтилен применяют в автомобилестроении. Из него изготавливают уплотнители, трубки и детали топливных систем. Марку HD 60472LB, разработанную ПолиЛаб, используют для производства прочных и долговечных топливных баков легковых автомобилей.

Жесткая упаковка

Благодаря высоким барьерным характеристикам, а также твердости готовых изделий, ПЭ используют в выпуске жесткой упаковки: крышек, бутылок, канистр, ящиков и контейнеров различного объема. Например, из полиэтилена марок HD 15550СС и HD 21551CC, созданных специалистами ПолиЛаб, изготавливают качественные изделия — крышки для различных типов напитков, которые отвечают современным промышленным требованиям по надежности и безопасности. 

Экология и вторичное использование

Возможности переработки

Полиэтилен обладает высоким потенциалом для вторичной переработки. Материал можно плавить и формовать повторно. Вторичный ПЭ экономит сырье, снижает производственные затраты и уменьшает экологическое воздействие.

Однако при многократной переработке может происходить постепенная деградация молекулярной цепи, что приводит к снижению физико-механических характеристик готового изделия. Развитие современных технологий переработки, среди которых механическая (дробление, мойка, агломерация и повторное гранулирование) и химическая (пиролиз, возврат к мономерам), открывает возможность получения вторичного полиэтилена более высокого качества.

Роль ПолиЛаб в развитии марок с вовлечением вторичного сырья

ПолиЛаб создает новые марки ПЭ с включением регранулята (rPE — recycled Polyethylene), сохраняя высокое качество изделий. Такие технологии превращают полиэтилен из отхода в ценный ресурс, поддерживают принципы устойчивого развития и экономики замкнутого цикла. Среди разработок — rPE для жесткой и гибкой упаковки: контейнеров для хранения, упаковки для бытовой химии, пленок, пакетов и других изделий.

В ПолиЛабе были разработаны марки Vivilen с содержанием переработанного пластика до 25% в сегменте жесткой упаковки и до 70% в гибкой упаковке. Материал обладает технологичностью на уровне первичных марок и стабильными физико-механическими характеристиками. Применение гранул Vivilen не требует переоборудования производств, что облегчает переход к более экологичным решениям и поддерживает концепцию экономики замкнутого цикла.

Заключение

Рынок полиэтилена продолжает расти из-за универсальности материала и расширения сфер применения. Технологические инновации, смещение в сторону экологичности и вторичной переработки обеспечат устойчивое развитие отрасли. Марки ПЭ активно совершенствуются.

Разработка новых продуктов с учетом экологических требований делает ПолиЛаб важным драйвером индустрии. Ученые разработали уже около 40 марок полиэтилена, включая как первичные, так и вторичные материалы для различных отраслей. Научно-исследовательские центры обеспечивают импортозамещение и укрепляют позиции России на внутреннем и мировом рынке.